화학공학과 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장, 교신저자)와 마춘칭 박사(제1저자)는 화학공학과 권석준 교수(공동 교신저자), 스위스 로잔연방공대 그랏첼 교수(공동 교신저자)와 함께 페로브스카이트 크리스탈 패싯에 따른 수분 안정성의 차이점을 발견하고, 수분에 가장 안정적인 (111) 패싯을 위주로하는 필름 제작에 성공, 2,000시간의 수분 노출 실험에서 95% 이상 초기효율이 유지되는 안정한 페로브스카이트 태양전지를 개발하여 사이언스지(Science)에 1월 13일(현지 시각) 연구결과를 발표하였다.

페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발, ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척하였다. 세계가 주목하는 페로브스카이트 태양전지 개발 공로로 2017년 클래리베이트는 박남규 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정하였다.

태양전지용 페로브스카이트 광흡수층은 간단한 용액공정을 이용하여 150도씨 이하의 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다. 일반적으로 알려진 용액공정을 이용하면 형성된 필름에서 페로브스카이트 결정은 다결정 특성을 갖고 결정 패싯도 잘 발달하여 있지 않다. 박남규 교수팀은 첨가제 공법을 이용하여 (100)과 (111) 결정 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름을 제작하는 데 성공하여, 패싯에 따른 광전류 의존성을 밝힌 바 있다(2022년 11월 16일 Joule(IF: 46.048)에 발표). 이번 연구에서는 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름이 수분에 노출될 경우 수분 안정성이 패싯에 따라 달라진다는 것을 처음으로 발견하였다. 특히 (100) 패싯은 수분에 매우 취약하지만 (111) 패싯은 수분에 안정적이라는 점을 발견해내었다.

(111) 패싯이 (100) 패싯 보다 수분 안정성이 우수한 이유는 물의 젖음에너지가 (111) 패싯에서 상대적으로 낮기 때문이라는 사실을 이론계산을 통해 밝혔다. 또한 수분에 취약한 (100) 패싯에서는 물과 강한 결합이 생겨 알파에서 델타 상으로 페로브스카이트 상전이가 일어나 광흡수 특성을 잃게 된다는 사실을 분광분석과 엑스선 회절을 이용하여 알아내었다.

패싯에 따른 수분안정성의 차이점에 대한 원인 규명을 기반으로, 페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성을 향상하기 위해서는 (111) 패싯으로 구성된 필름 제작 기술이 필수적인데, 박남규 교수팀은 사이클로헥실아민 이라는 첨가제를 이용하여 (111) 패싯이 98% 차지하는 페로브스카이트 필름 제작에 성공하였다. 30-40% 상대습도 환경에서 약 2,000시간(1,938시간) 수분 안정성을 테스트한 결과, (111) 패싯 위주의 페로브스카이트 필름으로 만든 태양전지는 초기효율의 95% 이상을 유지하였다.

이번 연구 결과는 교육과학기술부와 한국연구재단의 리더과제(NRF-2021R1A3B1076723) 지원으로 수행되었으며, 페로브스카이트 태양전지의 수명을 획기적으로 개선하여 상용화에 이바지할 것으로 예상한다.

※ 논문명 : Unveiling facet-dependent degradation and facet engineering for stable perovskite solar cells

※ 저널: Science 게재 내역